Начнем с того, как получить. Этим процессом я развлекался в далеком 2003 году, когда впервые пришел в одну из лабораторий ИОНХ РАН, где мне было поручено разработать метод выращивания монокристаллов висмута достаточно большого диаметра. В качестве прототипа я взял вариант метода Бриджмена с использованием шаровой ампулы, описанный в одной статье 1951-го, что ли, года. И мне нужна была затравка для начала.
Для ее выращивания я использовал метод спонтанной кристаллизации. Брал фарфоровую чашку, которая помещалась в печь, которую я сделал из колбогрейки, накрыв ее чашкой из пористого кварца, обернутой снаружи слоем каолиновой ваты с отверстием сверху для ввода кристаллоносца и наблюдения. Кристаллоносец, представлявший собой поликоровый стержень с отверстием в торце, в который заранее помещалось немного висмута и расплавлялось (висмут, застывая, расширяется и прочно закрепляется в отверстии), погружался в расплав, а последний сначала перегревали выше Тпл на 20-30 градусов, а затем медленно охлаждали до температуры, на 2-3 градуса выше Тпл. Из-за высокой теплопроводности поликора кристаллоносец охлаждал расплав ниже Тпл и через несколько часов на нем образовывался пучок хорошо образованных кристаллов размером до сантиметра. После этого кристаллы надо было охладить в печи, но на первых порах я просто открывал печь, доставал чашку и выливал оттуда расплав, чтобы он не порвал чашку. Часть висмута уже успевала закристаллизоваться и слив расплав, я получал вот такие вот красивые скелетные кристаллы.
Поигравшись немного с параметрами процесса, я пришел примерно к такой методике получения последних:
- Расплавить около 100 г висмута (возможно более чистого -- как минимум, чда) в фарфоровой чашке и довести температуру до 300-310 град. С.
- Осторожно (~ 1 К/мин) снизить ее до температуры, на несколько градусов превышающей температуру плавления висмута.
- Вынуть чашку щипцами из печи и покачивая ее, дождаться кристаллизации примерно половины объема, после чего вылить расплав.
Если делать это на воздухе, кристаллы тут же покрываются разноцветной оксидной пленкой.
А следующий вопрос -- почему они такие красивые. Тут две составляющие: цвета оксидной пленки и форма. Цвета эти имеют интерференционную природу и столь яркие по причине высокого показателя преломления оксида висмута -- свыше 2,4, из-за чего отражение от внешней поверхности пленки достаточно сильно и соизмеримо по интенсивности с отражением от лежащего под ней металла, из-за чего минимумы интерференции выходят достаточно глубокими. А форма кристаллов обусловлена большой скоростью роста. Выделяющееся при кристаллизации тепло нагревает жидкость вблизи кристалла, из-за чего переохлаждение снижается и рост замедляется, но из нагретой зоны торчат его вершины и ребра, где скорость роста остается высокой. В итоге мы имеем середины граней, отстающие от их краев, и середина грани проваливается вглубь, и грань превращается в воронку.
